轉動設備狀態監測及

典型故障的診斷

天津石化裝備研究院屈世棟概述振動狀態監測的常用譜圖課程主要內容旋轉設備典型故障的診斷狀態監測和故障診斷的過程檢測縮小故障范圍狀態判別搜集征兆定期檢測故障定位原因分析維修決策趨勢分析正常參數開始尚可正常不可異常故障的振動分析1,瞬間信號分析法通常將開機、停機過程的振動信號稱為瞬態信號，是轉子系統對速度變化的響應，是轉子動態特性和故障征兆的反映。振動瞬態信號的變化是隨著激勵源的變化而變化的，不同的激勵源產生不同的振動瞬態信號。在振動分析中，通過作波特圖可以分析振動瞬態信號的形態。(1)電磁振動：關掉電源后，電機轉速剛降低，其振動幅值便立即衰減為零。(2)共振：振動幅值隨轉速降低而迅速下降。(3)不平衡振動：速度降低時，振動幅值也平穩連續地緩慢地下降。(4)失穩振動：在轉速下降很大幅度之后，振動幅值才較快地下降。

實際上的瞬態信號曲線不會這樣規范，當有幾種故障同時存在時，各種振動的共同作用必然使瞬態信號曲線變得復雜。在設備診斷中，通過分析振動瞬態信號來識別故障的方法有一定的局限性。一是因為測量機器的振動瞬態信號只有在機器停止或啟動的時候才能進行，故比較麻煩。

2.方向特征分析法有些設備故障的振動特征表現出明顯的方向性，即在同一測點不同方向振動值呈現規律性的差異。當設備出現轉子不平衡時，軸承測點各個方向的振動值表現這樣一種關系：水平振動≥垂直振動＞軸向振動。當存在不對中時則通常表現為：軸向振動＞徑向振動。

還有些故障可用振動方向特征來進行判別，如機器底部垂直方向振值很大，一般是地腳螺栓松動造成的；當軸承部位垂直方向的振值大于水平方向振值，很可能是滑動軸承已失效。有一臺振動異常的汽輪機，其軸承的垂直振動約為水平振動的3倍，當拆機檢查時發現軸瓦的巴氏合金已經碎裂。3.振幅變動特征分析法設備在承載均勻，沒有沖擊，轉速穩定的狀態下運行時，振動值基本上是穩定的。如果振動出現大范圍的頻繁波動，說明可能是轉子的某個部位發生徑向或軸向碰擦或者是滾動軸承由于連接松動而與相鄰部件發生了不均勻摩擦。

4.幅值比較分析法連接部件松動是機器常見故障，幅值比較分析法是最簡單、最有效的檢測辦法。如圖:測量點①、②、③垂直方向的振動值，比較三個振動值的大小，若數值相差很大，說明存在松動故障，且可判定松動部位。5.主要頻率分析法機械的每一個運動構件都有各自的運動頻率，而大多數機械故障引發的振動也有自已的振動頻率，稱為特征頻率，且少數故障的振動頻率具有唯一性。機械故障的振動頻率，常常是很復雜的，很少以單個頻率出現。在這個頻率群體中，各個頻率對故障判斷所起作用的程度是不一樣的，其中必有一個主要頻率（即主頻率）所起作用最大。振動狀態監測的常用圖譜瞬態譜圖：啟停機圖譜，僅分析啟停機過程中的狀況常規譜圖：穩態圖，不含開停車信息振動信號分析常用譜圖振動狀態監測常用圖譜振動信號波形頻譜圖波德圖極坐標圖頻譜瀑布圖極聯圖軸心位置圖軸心軌跡圖振動值趨勢圖振動值趨勢圖1．波形頻譜圖

頻譜分析的示意圖2．波德圖

波德圖是反映機器振動幅值、相位隨轉速變化的關系曲線。圖形的橫坐標是轉速，縱坐標有兩個，一個是振幅的峰－峰值，另一個是相位。從波德圖上我們可以得到以下信息：

a.轉子系統在各種轉速下的振幅和相位；

b.轉子系統的臨界轉速；

c.轉子系統的共振放大系數；

d.轉子上機械偏差和電氣偏差的大小；

e.轉子是否發生了熱彎曲。波徳圖3．極坐標圖

極坐標圖是把振幅和相位隨轉速變化的關系用極坐標的形式表示出來。圖中用一旋轉矢量的點代表轉子的軸心，該點在各個轉速下所處位置的極半徑就代表了軸的徑向振幅，該點在極坐標上的角度就是此時振動的相位角。這種極坐標表示方法在作用上與波德圖相同，但它比波德圖更為直觀。

極坐標圖4．頻譜瀑布圖

用某一測點在啟停機（或正常運行中）時連續測得的一組頻譜圖按時間順序組成的三維譜圖就是頻譜瀑布圖，見下圖。圖中Z軸是時間軸相同階次頻率的譜線集和Z軸是平行的。從圖中可以清楚地看出各種頻率的振幅隨時間是如何變化的。5．極聯圖

極聯圖是在啟停機轉速連續變化時，不同轉速下得到的頻譜圖依次組成的三維譜圖。它的Z軸是轉速，工頻和各個倍頻及分頻的軸線在圖中是都以0點為原點相外發射的傾斜的直線。在分析振動與轉速有關的故障時是很直觀的。該圖常用來了解各轉速下振動頻譜變化情況，可以確定轉子臨界轉速及其振動幅值、半速渦動或油膜振蕩的發生和發展過程等。

6．軸心位置圖

軸心位置圖用來顯示軸頸中心相對于軸承中心位置。這種圖形提供了轉子在軸承中穩態位置變化的觀測方法，用以判別軸頸是否處于正常位置。當軸心位置超出一定范圍時，說明軸承處于不正常的工作狀態，從中可以判斷轉子的對中好壞、軸承的標高是否正常，軸瓦是否磨損或變形等等。如果軸心位置上移，則預示著轉子不穩定的開始。通過對軸頸中心位置變化的監測和分析，可以預測到某些故障的來臨，為故障的防治提供早期預報。

軸心位置圖7．軸心軌跡圖

軸心軌跡一般是指轉子上的軸心一點相對于軸承座在其與軸線垂直的平面內的運動軌跡。通常，轉子振動信號中除了包含由不平衡引起的基頻振動分量之外，還存在由于油膜渦動、油膜振蕩、氣體激振、摩擦、不對中、嚙合等等原因引起的分數諧波振動、亞異步振動、高次諧波振動等等各種復雜的振動分量，使得軸心軌跡的形狀表現出各種不同的特征，其形狀變得十分復雜，有時甚至是非常地混亂。軸心軌跡圖（提純）8．振動趨勢圖

在機組運行時，可利用趨勢圖來顯示、記錄機器的通頻振動、各頻率分量的振動、相位或其它過程參數是如何隨時間變化的。這種圖形以不同長度的時間為橫坐標，以振幅、相位或其它參數為縱坐標。在分析機組振動隨時間、負荷、軸位移或其它工藝參數的變化時，這種圖給出的曲線十分直觀，對于運行管理人員來說，用它來監視機組的運行狀況是非常有用的。旋轉設備典型故障的診斷

不平衡不對中軸彎曲和熱彎曲油膜渦動和油膜振蕩蒸汽激振機械松動轉子斷葉片與脫落摩擦軸裂紋旋轉失速與喘振機械偏差和電氣偏差1.不平衡

不平衡是各種旋轉機械中最普遍存在的故障。引起轉子不平衡的原因是多方面的，如轉子的結構設計不合理、機械加工質量偏差、裝配誤差、材質不均勻、動平衡精度差；運行中聯軸器相對位置的改變；轉子部件缺損，如：運行中由于腐蝕、磨損、介質不均勻結垢、脫落；轉子受疲勞應力作用造成轉子的零部件（如葉輪、葉片、圍帶、拉筋等）局部損壞、脫落，產生碎塊飛出等。

不平衡轉子的振動信號，其時間波形和頻譜圖一般具有如下典型特征：

A.時域波形的形狀接近一個純正弦波；

B.振動信號的頻譜圖中，諧波能量主要是集中在轉子的工作頻率（1X）上，而其它倍頻成分所占的比例相對較小；

C.在升降速過程中，當轉速低于臨界轉速時，振幅隨轉速的增加而上升。當轉速越過臨界轉速之后，振幅隨轉速的增加反而減小，并趨向于一個較小的穩定值。

D.當工作轉速一定時，振動的相位穩定；

E.轉子的軸心軌跡圖呈橢圓形；

F.轉子的渦動特征為同步正進動；G.純靜不平衡時支承轉子的兩個軸承同一方向的振動相位相同，而純力偶不平衡時支承轉子的兩個軸承振動呈反相，即相位差180°。H.在外伸轉子不平衡情況下可能會產生很大的軸向振動。支承轉子的兩軸承的軸向振動相位相同；I.因介質不均勻結垢時，工頻幅值和相位是緩慢變化的。×××汽輪機轉子不平衡的波形頻譜圖2.不對中

轉子不對中通常是指相鄰兩轉子的軸心線與軸承中心線的傾斜或偏移程度。轉子不對中可分為聯軸器不對中和軸承不對中。聯軸器不對中又可分為平行不對中、偏角不對中和平行偏角不對中三種情況。平行不對中時振動頻率為轉子工頻的兩倍。偏角不對中使聯軸器附加一個彎矩，增加了轉子的軸向力，使轉子在軸向產生工頻振動。平行偏角不對中是以上兩種情況的綜合，使轉子發生徑向和軸向振動。軸承不對中實際上反映的是軸承座標高和軸中心位置的偏差。軸承不對中使軸系的載荷重新分配。負荷較大的軸承可能會出現高次諧波振動，負荷較輕的軸承容易失穩，同時還使軸系的臨界轉速發生改變。

不對中故障的特征是：A.轉子徑向振動出現二倍頻，以一倍頻和二倍頻分量為主，軸系不對中越嚴重，二倍頻所占的比例就越大，多數情況甚至出現二倍頻能量超過一倍頻能量；B.振動信號的時域波形呈畸變的正弦波；C.聯軸器兩側相鄰兩個軸承的油膜壓力呈反方向變化，一個油膜壓力變大，另一個則變小；D.聯軸器兩側的軸向振動基本上是呈現出180°反相的；E.典型的軸心軌跡為月牙形、香蕉形，嚴重對中不良時的軸心軌跡可能出現“8”字形；渦動方向為同步正進動；×××汽輪機轉子對中不良的波形頻譜圖×××壓氣機有對中不良傾向的軸心軌跡圖

呈香蕉形的軸心軌跡圖呈“8”字形的軸心軌跡G.振動對負荷變化敏感。一般振動幅值隨著負荷的增加而升高；H.軸承不對中包括偏角不對中和標高變化兩種情況，軸承不對中時徑向振動較大，有可能出現高次諧波，振動不穩定。由于軸承座的熱膨脹不均勻而引起軸承的不對中，使轉子的振動也要發生變化。但由于熱傳導的慣性，振動的變化在時間上要比負荷的改變滯后一段時間。3.軸彎曲和熱彎曲

軸彎曲是指轉子的中心線處于不直狀態。轉子彎曲分為永久性彎曲和臨時性彎曲兩種類型。轉子永久性彎曲是指轉子的軸呈永久性的弓形，它是由于轉子結構不合理、制造誤差大、材質不均勻、轉子長期存放不當而發生永久性的彎曲變形，或是熱態停車時未及時盤車或盤車不當、轉子的熱穩定性差、長期運行后軸的自然彎曲加大等原因所造成。轉子臨時性彎曲是指轉子上有較大預負荷、開機運行時的暖機操作不當、升速過快、轉軸熱變形不均勻等原因造成。轉子永久性彎曲與臨時性彎曲是兩種不同的故障，但其故障的機理是相同的。轉子不論發生永久性彎曲還是臨時性彎曲，都會產生與質量偏心情況相類似的旋轉矢量激振力。

軸彎曲時通常都會產生很大的徑向振動和軸向振動，如果彎曲位于轉軸中央附近，支承轉子的兩個軸承上的軸向振動主要呈1X分量，如果彎曲位于聯軸器附近或懸臂式支撐轉子的外伸端產生彎曲時，則可能產生較大的2X振動分量。此外，軸彎曲時一般會在一階臨界轉速下產生較大的徑向振動。熱彎曲是指轉子受熱后（如啟機中或加負荷時）使轉子產生了附加的不平衡力（即熱不平衡），從而導致了轉子發生彎曲的現象。熱不平衡的機理是轉子橫截面存在某種不對稱因素（材質不對稱、溫度不對稱、內摩擦力不對稱等）、或溫度場不均勻，可能在轉子上產生彎矩，造成轉子彎曲。

轉子熱彎曲引起的振動主要以基頻分量為主，一般其具有如下特點：A.振動與轉子的熱狀態有關，當機組冷態運行時（空載）振動較小，但隨著負荷的增加，振動明顯增大；B.一旦振動增大后快速降負荷或停機振動并不立即較小，而是有一定的時間滯后；C.機組快速停機惰走通過一階臨界轉速時的振動較啟動過程中的相應值增大很多；D.轉子發生熱彎曲后停機惰走時在低轉速下轉子的工頻振動幅值比在開車時相同轉速下的振動值要大很多，而且在相同轉速下，其工頻振動的相位也可能不重合。×××汽輪機高壓缸轉子熱彎曲的波德圖×××汽輪機中壓缸轉子熱彎曲的波德圖4.油膜渦動和油膜振蕩

油膜渦動和油膜振蕩是滑動軸承中由于油膜的動力學特性而引起的一種自激振動。油膜渦動一般是由于過大的軸承磨損或間隙，不合適的軸承設計，潤滑油參數的改變等因素引起的。根據振動頻譜很容易識別油膜渦動，其出現時的振動頻率接近轉速頻率的一半，隨著轉速的提高，油膜渦動的故障特征頻率與轉速頻率之比也保持在一個定值上始終不變，常稱為半速渦動。×××汽輪機軸承發生嚴重油膜渦動時的波形頻譜圖×××汽輪機軸承發生較輕的油膜渦動時的軸心軌跡圖油膜渦動使軸承損壞的照片

油膜渦動和油膜振蕩是兩個不同的概念，它們之間既有區別，又有著密切的聯系。當機器出現油膜渦動，而且油膜渦動頻率等于系統的固有頻率時就會發生油膜振蕩。油膜振蕩只有在機器運行轉速大于二倍轉子臨界轉速的情況下才可能發生。當轉速升至二倍臨界轉速時，渦動頻率非常接近轉子臨界轉速，因此產生共振而引起很大的振動。通常一旦發生油膜振蕩，無論轉速繼續升至多少，渦動頻率將總保持為轉子一階臨界轉速頻率。A.時間波形發生畸變，表現為不規則的周期信號，通常是在工頻的波形上面疊加了幅值很大的低頻信號；B.在頻譜圖中，轉子的固有頻率ω0處的頻率分量的幅值最為突出；C.油膜振蕩發生在工作轉速大于二倍一階臨界轉速的時候，在這之后，即使工作轉速繼續升高，其振蕩的特征頻率基本不變；D.油膜振蕩的發生和消失具有突然性，并帶有慣性效應，也就是說，升速時產生油膜振蕩的轉速要高于降速時油膜振蕩消失的轉速；E.油膜振蕩時，轉子的渦動方向與轉子轉動的方向相同，為正進動；F.油膜振蕩劇烈時，隨著油膜的破壞，振蕩停止，油膜恢復后，振蕩又再次發生。如此持續下去，軸頸與軸承會不斷碰摩，產生撞擊聲，軸承內的油膜壓力有較大的波動；G.油膜振蕩時，其軸心軌跡呈不規則的發散狀態，若發生碰摩，則軸心軌跡呈花瓣狀；H.軸承載荷越小或偏心率越小，就越容易發生油膜振蕩。J.油膜振蕩時，轉子兩端軸承振動相位基本相同

轉子發生油膜振蕩時一般具有以下特征：5.蒸汽激振

蒸汽激振產生的原因通常有兩個。一是由于調節閥開啟順序的原因高壓蒸汽產生了一個向上抬起轉子的力，從而減少了軸承比壓，因而使軸承失穩。二是由于葉頂徑向間隙不均勻，產生切向分力，以及端部軸封內氣體流動時所產生的切向分力，使轉子產生了自激振動。蒸汽激振一般發生在大功率汽輪機的高壓轉子上，當發生蒸汽振蕩時，振動的主要特點是振動對負荷非常敏感，而且振動的頻率與轉子一階臨界轉速頻率相吻合。在發生蒸汽振蕩時，有時改變軸承設計是沒有用的，只有改進汽封通流部分的設計、調整安裝間隙、較大幅度地降低負荷或改變主蒸汽進汽調節汽閥的開啟順序等才能解決問題。×××汽輪機蒸汽激振發生前后的通頻振動趨勢圖×××汽輪機蒸汽激振發生前后的工頻振動趨勢圖×××汽輪機蒸汽激振發生前后的0.4X～0.6X選頻振動趨勢圖×××汽輪機蒸汽激振發生時振動信號的頻譜圖×××汽輪機蒸汽激振發生時的軸心軌跡圖6.機械松動的類型

第一種類型的松動是指機器的底座、臺板和基礎存在結構松動，或水泥灌漿不實以及結構或基礎的變形，此類松動表現出振動頻譜為1X分量。第二種類型的松動主要是由于機器底座固定螺栓的松動或軸承座出現裂紋引起。其振動頻譜除包含1X分量外，還存在相當大的2X分量，有時還激發出1／2X和3X振動分量。第三種類型的松動是由于部件間不合適的配合引起的，由于松動部件對來自轉子動態力的非線性響應,因而其產生許多振動諧波分量，如1X，2X，……，nX，有時亦產生精確的1／2X或1／3X……等等的分數諧波分量，這時的松動通常是軸承蓋里軸承瓦枕的松動、過大的軸承間隙、或者轉軸上的葉輪存在松動。這種松動的振動相位很不穩定。松動時的振動具有方向性。在松動方向上，由于約束力的下降，將引起振動幅度加大。7.轉子斷葉片與脫落

轉子斷葉片、零部件或垢層脫落的故障機理與動平衡故障是相同的。其特征如下：

A.振動的通頻振幅在瞬間突然升高；

B.振動的特征頻率為轉子的工作頻率；

C.工頻振動的相位也會發生突變。×××空壓機透平斷葉片的通頻振動趨勢圖×××空壓機透平斷葉片的工頻振動趨勢圖×××空壓機透平斷葉片時振動信號的頻譜圖×××空壓機透平斷葉片時的軸心軌跡變化圖×××空壓機透平斷葉片的現場照片×××空壓機3段葉輪破裂的通頻振動趨勢圖×××空壓機3段葉輪破裂的現場照片×××煉廠主風機斷葉片的波形頻譜圖×××煉廠主風機斷葉片的軸心軌跡圖×××煉廠主風機斷葉片的現場照片8.摩擦A.部分摩擦。此時轉子僅偶然接觸靜止部分，同時維持接觸僅在轉子進動整周期的一個分數部分，這通常對于機器的整體來說，它的破壞性和危險性相對比較小；

B.“全摩擦”,亦稱“干摩擦”。它們大都在密封中產生。在整周環狀摩擦發生時，轉子維持與密封的接觸是連續的，產生在接觸處的摩擦力能夠導致轉子進動方向的劇烈改變，從原本是向前的正進動變成向后的反進動。此外，轉子摩擦可能產生一系列的分數諧波振動分量（1／2X，1／3X，1／4X，l／5X，…，1／nX），轉子摩擦可能也會激起許多高頻振動分量。摩擦的危害性很大，即使轉軸和軸瓦短時間摩擦也會造成嚴重后果。摩擦的產生分為兩種

有的大型機組在轉子和靜子發生徑向部分摩擦時,振動頻譜主要是基頻分量，但也有2X、3X、4X等高次諧波分量，其中2X分量較大。摩擦時振動急劇增大，而且相位也會發生變化，相位變化是逆轉動方向。摩擦后若轉子發生熱彎曲，則降速過轉子通過臨界轉速時振動也急劇放大。當轉子發生動靜摩擦后，降速或降負荷振動并不立即減小，反而有所增大。只有當轉速或負荷降低到某一數值后，振動才緩慢減小，即振動變化存在著一定的滯后。摩擦發生前的軸心軌跡（正進動）摩擦發生時的軸心軌跡（反進動）9.軸裂紋

轉子裂紋產生的原因多是疲勞損傷。旋轉機械的轉子如果設計不當（包括選材不當或結構不合理）或者加工方法不妥，或者是運行時間超長的老舊機組，由于應力腐蝕、疲勞、蠕變等，會在轉子原本存在誘發點的位置產生微裂紋，再加上由于較大而且變化的扭矩和徑向載荷的持續作用，微裂紋逐漸擴展，最終發展成為宏觀裂紋。原始的誘發點通常出現在應力高而且材料有缺陷的地方，如軸上應力集中點、加工時留下的刀痕、劃傷處、材質存在微小缺陷（如夾渣等）的部位等。

在轉子出現裂紋的初期，其擴展的速度比較慢，徑向振動的幅值增長也比較小。但裂紋的擴展速度會隨著裂紋深度的加深而加速，相應的會出現振幅迅速增大的現象。尤其是二倍頻幅值的迅速上升和其相位的變化往往可以提供裂紋的診斷信息，因此可以利用二倍頻幅值和相位的變化趨勢來診斷轉子裂紋。

A.各階臨界轉速較正常時要小，尤其是當裂紋趨于嚴重時更明顯；B.由于裂紋造成轉子的剛度變化而且不對稱，使轉子形成多個共振轉速；C.在恒定轉速下，1X、2X、3X等各階倍頻分量的幅值及其相位不穩定，而且尤其以二倍頻分量最為突出；D.由于裂紋轉子的剛度不對稱，使得對轉子進行動平衡變得困難。轉子出現裂紋后的一般特征：10.旋轉失速與喘振

旋轉失速是壓縮機中最常見的一種不穩定現象。當壓縮機流量減少時，由于沖角增大，葉柵背面將發生邊界層分離，流道將部分或全部被堵塞。這樣失速區會以某速度向葉柵運動的反方向傳播。實驗表明，失速區的相對速度低于葉柵轉動的絕對速度。因此，我們可以觀察到失速區沿轉子的轉動方向以低于工頻的速度移動，故稱分離區這種相對葉柵的旋轉運動為旋轉失速。

旋轉失速使壓縮機中的流動情況惡化，壓比下降，流量及壓力隨時間波動。在一定轉速下，當入口流量減少到某一值時，機組會產生強烈的旋轉失速。強烈的旋轉失速會進一步引起整個壓縮機組系統的一種危險性更大的不穩定的氣動現象，即喘振。此外，旋轉失速時壓縮機葉片受到一種周期性的激振力，如旋轉失速的頻率與葉片的固有頻率相吻合，則將引起強烈振動，使葉片疲勞損壞造成事故。

A.振動發生在流量減小時，且隨著流量的減小而增大；B.振動頻率與工頻之比為小于1的常值；C.轉子的軸向振動對轉速和流量十分敏感；D.排氣壓力有波動現象；E.流量指示有波動現象；F.分子量較大或壓縮比較高的機組比較容易發生。旋轉失速故障的識別特征：

旋轉失速嚴重時可以導致喘振，但二者并不是一回事。喘振除了與壓縮機內部的氣體流動情況有關之外，還同與之相連的管道網絡系統的工作特性有密切的聯系。壓縮機總是和管網聯合工作的，為了保證一定的流量通過管網，必須維持一定壓力，用來克服管網的阻力。機組正常工作時的出口壓力是與管網阻力相平衡的。但當壓縮機的流量減少到某一值時，出口壓力會很快下降，然而由于管網的容量較大，管網中的壓力并不馬上降低，于是，管網中的氣體壓力反而大于壓縮機的出口壓力，因此，管網中的氣體就倒流回壓縮機，一直到管網中的壓力下降到低于壓縮機出口壓力為止。這時，壓縮機又開始向管網供氣，壓縮機的流量增大，恢復到